低频和高频交流电场助燃对比及燃烧特征参数预测研究

为探究不同频率交流电场助燃的内在机制,利用定容燃烧试验平台比较了低频(40、60、80、100 Hz)和高频(15、20、25、30 kHz)交流电场对甲烷/空气稀薄燃烧(过量空气系数为1.2、1.4、1.6)火焰的影响,并利用机器学习方法对混合气的燃烧特征参数进行了预测研究。结果表明:低频和高频交流电场下,火焰在电场方向上均被拉伸,不同频率交流电场对火焰传播的促进效果处于同一量级,但低频交流电场下的火焰锋面更加稳定;高频交流电场对燃烧特性参数的影响更加显著,其对应的压力峰值和压力升高率峰值均比低频交流电场下变化更大;采用支持向量机方法构建的平均火焰传播速度和燃烧压力峰值的预测模型相关系数均高于0.998,平均绝对百分比误差和希尔不等系数分别小于1.093%和0.007,均具有良好的预测性能和泛化能力。研究进一步验证了低频和高频交流电场的助燃机制,证实了机器学习方法应用于基础燃烧特征参数预测的可行性,丰富了电场助燃理论。

低频交流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

为了明确低频交流电场对火焰的作用机理,在常温、初始压力0.3MPa下,施加电压有效值为5kV、频率f=40,60,80,100Hz的电场对甲烷/空气混合气的燃烧特性进行研究,建立了预混甲烷/空气火焰离子反应模型,对燃烧过程各粒子的浓度变化进行模拟,将实验与模拟结果综合进行了分析。结果表明:加载低频交流电场后,预混球形火焰在横向发生明显形变,随着频率的增大,平均火焰传播速度S_L和压力峰值Pmax均逐渐减小;模拟计算表明随着频率的增大,双离子风发展程度ξ_(eff)逐渐减小,平均火焰传播速度增大率ΔS_L和压力峰值增大率ΔPmax与双离子风发展程度ξ_(eff)的线性拟合相关系数分别为0.995 82和0.919 96,ξ_(eff)与电场对火焰的促进作用密切相关;电场下火焰前锋面粒子间的碰撞作用程度与火焰的宏观拉伸形变之间存在着直接联系,基于碰撞作用的双离子风效应是低频交流电场对预混火焰的主要促进因素。

高初始压力下交流电场对甲烷/空气预混球形火焰燃烧特性的影响

为了明确在高初始压力下外加交流电场对天然气预混火焰的影响,以甲烷/空气预混的瞬态球形火焰为研究对象,利用定容燃烧弹探究了在过量空气系数为1.2、常温298K、高初始压力300kPa下,加载电压有效值5kV的低频和高频交流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果显示:低频条件(f=40,60,80,100 Hz)下,火焰传播速度分别增大17.41%、6.53%、3.99%、1.54%时,燃烧压力峰值分别增大2.06%、1.73%、1.04%、0.79%,质量燃烧率达到100%所用的时间分别缩短11.96%、10.27%、7.78%、3.74%;高频条件(f=10,15,20kHz)下,火焰传播速度分别增大13.69%、19.76%、22.21%时,燃烧压力峰值分别增大1.00%、2.37%、3.07%,质量燃烧率达到100%所用的时间分别缩短11.03%、14.94%、16.13%。对低频和高频交流电场的助燃机理--双离子风效应和电化学效应进行了具体的分析,分析结果与实验现象吻合,证明了电场助燃技术的可行性与有效性。